JP4449391B2

JP4449391B2 - 二流体ノズル

Info

Publication number: JP4449391B2
Application number: JP2003337200A
Authority: JP
Inventors: 俊彦藤田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005103366A

Description

本発明は、噴霧、加湿、空気清浄、塗装、燃焼、洗浄などの分野において、液体の微細化に使用される二流体ノズルに関する。

従来、液体に圧力をかけて噴霧し、微細な液滴を生成せしめる噴霧ノズルは、様々な分野で用いられている。特に燃焼や塗装、加湿の分野では液滴をできるだけ微細にすることが性能や品質の向上に直接関わる要因であり、これまで微細化を促進する様々な手法が開発されている。中でも微細化を促進する手法において広く用いられているのは、液体に対し外部エネルギーを付与する方法であり、外部エネルギーとして高圧の空気を利用して微細化を促進するニ流体ノズルが最も知られている。ところで、上記のような空気エネルギーを付与して微細な液滴を噴霧する二流体ノズルは、液体自体の圧力のエネルギーのみを用いるノズルと比較して、より微細な液滴が得られるのではあるが、ノズル本体およびポンプの他に大型かつ高価な高圧空気発生装置（コンプレッサー）が別途必要となり、家庭用など小型、低コストが要求される分野では用いることができない。近年になって二流体ノズルの微細化を効率化し、より一層微細化を促進する様々な方法が開発されてきており、代表的なものとして二流体ノズルを二分岐し互いに衝突させ微細化の効率を上げるものや、あらかじめ高圧空気を二つに分岐し一度微細化した液滴にさらに高圧空気を衝突させる方法などがある。また、別の方法として噴出前の液体中に気泡を混入し気液混相流とし、これを高圧気体と衝突させ液体の微細化の効率を上げる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その二流体ノズルについて図４、図５、図６を参照しながら説明する。

図４、図５、図６に示すように、管状の中空部の端部に液体流入口１０１を形成し、後尾部１０２の外周と内周に各々ねじ部１０３と１０４を形成した構造の部材Ａ１０５と、一端の外周にねじ部１０６が形成され他端に部材Ａ１０５のねじ部１０４と螺合するねじ部１０７が形成されている円筒状の部材Ｂ１０８があり、部材Ｂ１０８のねじ部１０７の上部にねじ部１０７より長い平坦部１０９を切り込み部１１０を介して形成し、ねじ部１０４とねじ部１０７の螺合により平坦部１０９と切り込み部１１０により間隙１１１が形成され、部材Ａ１０５と部材Ｂ１０８が接合されて液体流路１１２と連通されている。本体１１３は内部に管状の空間が形成されており、本体１１３の一端には部材Ａ１０５の後尾部１０２の外周に形成されたねじ部１０３と螺合するねじ部１１５を形成し、部材Ｂ１０８の外周と本体１１３の中空部内面により空気流路１１４が形成されている。また、本体１１３の先端部１１６の内周面にテーパが形成されるとともに、本体１１３の中央付近には外部に貫通した空気流入口１１７が形成されている。コア本体１１８は本体の先端部１１６のテーパー面に接合するテーパー面を有し、部材Ｂ１０８のねじ部１０６を螺合するねじ部１１９を内周に通孔１２０を形成して本体１１３の前面に接合されている。コア本体１１８外面には通孔１２０に対し直角に連通するよう外部に貫通形成された複数の小孔１２１が形成され、小孔１２１の直上のテーパ面には各々傾斜溝１２２が形成されている。

ここで、液体流入口１０１に液体ポンプ（図示せず）から送られた液体を導入し、本体１１３の空気流入口１１７はエアコンプレッサー（図示せず）から送られた高圧空気が導入される。高圧空気は空気流路１１４に圧送され、本体１１３の先端側でコア本体１１８のテーパ面に形成された傾斜溝１２２に沿って外部に高圧気体となって噴出する。一方、液体ポンプから圧送された液体は、液体流路１１２を通過して先端側のコア本体１１８に送られる。このとき、部材Ａ１０５と部材Ｂ１０８との接合部分において部材Ｂ１０８の平坦部１０９上方に間隙１１１が形成されているため、空気流路１１４に圧送された高圧気体の一部が間隙１１１を通って液体流路１１２に入り、液体流路１１２を通過する液体に混入して気泡を生じさせる。このように高圧気体が混入することにより液体流路１１２内で気液の混合が生じ、気液混相流が先端側のコア本体１１８の通孔１２０を進み小孔１２１から外部に噴出する。ここで、噴出した気液混相流は直上の傾斜溝１２２より噴出する高圧気体と衝突し液体が微細化されて霧化するが、あらかじめ混入した気泡の破裂により気泡が無い時と比較して微細化が促進され、より微細な液滴を得ることができる。
特開昭５８−８９９６２号公報

このような従来の二流体ノズルでは、ノズル内の液体流入路に間隙を設け、高圧空気の一部を流入路の外部から圧力で押し込んでいるため液体中に形成される気泡が粗く、大きさも不均一であり、液体流路中に空気の領域が断続的に発生するため液体の破砕が安定せず液滴径が不均一となる課題があり、安定かつ均一に液体を微細化できる二流体ノズルが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、安定かつ均一に液体を微細化できる二流体ノズルを提供することを目的としている。

本発明の二流体ノズルは上記目的を達成するために、気体噴射部と液体噴射部と液体流路及び前記液体噴射部の上流の前記液体流路において気泡を発生させる気泡発生手段を備え、前記気体噴射部を空気噴射孔とし、前記空気噴射孔は高圧空気を噴出し、前記液体噴射部を液体噴射孔とし、前記液体噴射孔は前記気泡発生手段により発生した気泡を含んだ気液混相流を噴出し、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔の先端縁同士を前記液体噴射孔からの液体噴出方向で同一位置にし、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔を同心二重円管状に配置し、前記空気噴射孔の孔径を前記液体噴射孔の外径より大きくし、高圧空気を前記液体噴射孔から噴出する気液混相流の周囲に同一進行方向に前記空気噴射孔から噴出させ、前記気泡発生手段を超音波振動子とし、前記液体流路の内面に前記超音波振動子を配置したものであり、超音波振動により液体中に負圧を発生させるとしたものである。

これにより、安定かつ均一に液体を微細化できる二流体ノズルが得られる。

また他の手段は、超音波振動子の代わりにヒーターを配置したものである。

また他の手段は、気泡発生手段の下流の液体流路において気泡を微細化する気泡微細化手段を備えるとしたものである。

さらに他の手段は、気泡微細化手段として多孔質体を備えるとしたものである。

本発明によれば、安定かつ均一に液体を微細化できる効果のある噴霧ノズルを提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、気体噴射部と液体噴射部と液体流路及び前記液体噴射部の上流の前記液体流路において気泡を発生させる気泡発生手段を備え、前記気体噴射部を空気噴射孔とし、前記空気噴射孔は高圧空気を噴出し、前記液体噴射部を液体噴射孔とし、前記液体噴射孔は前記気泡発生手段により発生した気泡を含んだ気液混相流を噴出し、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔の先端縁同士を前記液体噴射孔からの液体噴出方向で同一位置にし、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔を同心二重円管状に配置し、前記空気噴射孔の孔径を前記液体噴射孔の外径より大きくし、高圧空気を前記液体噴射孔から噴出する気液混相流の周囲に同一進行方向に前記空気噴射孔から噴出させ、前記気泡発生手段を超音波振動子とし、前記液体流路の内面に前記超音波振動子を配置したものであり、超音波振動により液体中に負圧を発生させるとしたものであり、超音波振動により液体中に圧力の疎密波を形成し、局所的に負圧を生じさせ微細な気泡を均一に形成することにより安定かつ均一に液体を微細化できるという作用を有し、空気噴射孔と液体噴射孔は同軸二重円管となっており空気が気液混相流の周囲に同一進行方向に噴出され、空気の膨張と気液の速度差により液体が激しく粉砕され微細化され、このとき、気液混相流は内部の微細な気泡により高圧気体の衝撃による破砕が進行しやすく液体の微細化が促進され、また、負圧により生じた気液混相流中の気泡は大気圧力により圧縮され破裂消滅し、この衝撃でも微細化が促進される。

また、超音波振動子の代わりにヒーターを配置したものであり、液体を加熱することにより溶存気体の飽和度を下げて気化し微細な気泡を均一に形成し安定かつ均一に液体を微細化できるという作用を有する。

また、気泡発生手段の下流の液体流路において気泡を微細化する気泡微細化手段を備えるとしたものであり、気泡微細化手段により粗大な気泡を均一に微細化できることにより安定かつ均一に液体を微細化できるという作用を有する。

また、気泡微細化手段として多孔質体を備えるとしたものであり、粗大な気泡が多孔質体を通過するとき細孔により分割され微細な気泡を均一に形成することにより安定かつ均一に液体を微細化できるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、本発明の二流体ノズルはノズル本体１および内筒部材２で構成されており、ノズル本体１および内筒部材２は管状の中空部を有し、ノズル本体１には気体噴射部として空気噴射孔３が、内筒部材２には液体噴射部として液体噴射孔４がそれぞれ円管状に形成され、空気噴射孔３の孔径は液体噴射孔４の外径より大きい。内筒部材２は液体流入口５から液体流路６を通り液体噴射孔４へ連通する中空管状となっており、ノズル本体１の中空部分の内周に形成された雌ねじ部７が内筒部材２の外周中央に形成した雄ねじ部８と螺合され、内筒部材２の前半部がノズル本体１に収容されている。内筒部材２の雄ねじ部８より液体噴射孔４側の外径は雄ねじ部８より小径であり、ノズル本体１の中空部内周面と内筒部材２の外周面により空気流路９が形成されている。また、ノズル本体１の側面中央付近に空気流路９と連通する空気流入口１０がノズル本体１の径方向に沿う状態に形成してある。また、内筒部材２の先端部１１を小径円筒状に形成し、この先端部１１にある液体噴射孔４をノズル本体１の空気噴射孔３と両者の先端縁同士が液体噴出方向で同一位置になるように、かつ同心二重円管状に配置されている。また、内筒部材２の液体流路６の内面には気泡を微細かつ均一に形成する微細気泡発生手段としての超音波振動子１２が液体流路６の内面の曲面に沿うように形成され配置されており、超音波振動子１２は超音波発振回路（図示せず）と接続されている。

ここで、ポンプ（図示せず）によって液体流入口５から送り込まれた液体は液体流路６を進み、液体流路６に配置された超音波振動子１２が液体を振動し液中に圧力の疎密波を生じさせる。ここで、疎密波により液体の圧力が局所的に低下し、液体中に溶存した気体の溶解度が下がり溶存気体が気化し気泡を形成する。また、圧力が液体の飽和蒸気圧より低下した場合には液体自体が気化して微細な気泡を形成する。液体は液体流路６で生じた気泡により気液混相流となり先端部１１で縮径され速度を増しつつ液体噴射孔４から噴出する。一方コンプレッサー（図示せず）によって空気流入口１０から圧送された高圧空気は空気流路９を進み、空気噴射孔３から高速の空気流となって噴出される。空気噴射孔３と液体噴射孔４は同軸二重円管となっており空気が気液混相流の周囲に同一進行方向に噴出され、空気の膨張と気液の速度差により液体が激しく粉砕され微細化される。このとき、気液混相流は内部の微細な気泡により高圧気体の衝撃による破砕が進行しやすく液体の微細化が促進される。また、負圧により生じた気液混相流中の気泡は大気圧力により圧縮され破裂消滅し、この衝撃でも微細化が促進される。また、気泡は微細かつ均一であり、コンプレッサーで圧入した粗大かつ不均一な大きさの気泡と比較して気泡の不均一な分布による不連続な破砕が生じなくなり、安定かつ均一に液体を微細化できる。

尚、本実施の形態では超音波振動により液中に負圧を発生させ気泡を生じさせたが、液中に負圧を生じさせるのであれば、超音波振動以外の方法でも同様の効果が期待できる。また、液体の飽和蒸気圧や溶存気体の溶解度は圧力だけでなく液体の温度にも依存し、温度を上げると溶解度が下がるため溶存気体や液体蒸気が気化し液中に気泡を形成する。これを利用し超音波振動子１２の代わりにヒーターを加熱部として配置し、液体の温度を上げることにより溶存気体を気化し気泡を形成することも可能である。

（参考の形態１）
実施の形態１と同一の部分については同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図２に示すように、内筒部材２の液体流路６の内面には微細気泡発生手段としての電極１３が陽極１４、陰極１５一対として内周面に沿って対向に配置されており、陽極１３および陰極１５は電極線１６を通じ直流電圧電源１７と接続されている。電極１３は導電性があり液体と化学反応が生じない物質、好ましくは白金を用い、電極１３のノズル本体と接している面は絶縁性の皮膜で覆われ直接触れない構造とする。

ここで、液体を水道水とし電極１３に直流電圧を印加すると、ポンプ（図示せず）によって液体流入口５から送り込まれた水道水は電極１３で電気分解され陽極１４から酸素が、陰極１５からは水素が発生し微細な気泡を形成して気液混相流となり、先端部１１で縮径され速度を増しつつ液体噴出孔４から噴出される。一方コンプレッサー（図示せず）によって空気流入口１０から圧送された高圧空気は空気流路９を進み、空気噴出孔３から高速の空気流となって噴出される。空気噴出孔３と液体噴出孔４は同軸二重円管となっているため空気が気液混相流の周囲に同一進行方向に噴出され、空気の膨張と気液の速度差により気液混相流が激しく粉砕され微細化される。このとき、気液混相流は内部の微細な気泡により高圧気体の衝撃による破砕が進行しやすく液体の微細化が促進される。また、気泡は微細かつ均一であり、コンプレッサーで圧入した粗大かつ不均一な大きさの気泡と比較して気泡の不均一な分布による不連続な破砕が生じなくなり、安定かつ均一に液体を微細化できる。

尚、本実施の形態では、電極１３の配置を管内の対向する配置で説明したが、電気分解が効率良く生じるのであれば、電極１３の形状や配置のし方は様々な方法が考えられ、他の形状、配置であっても同様の効果が期待できる。

また、本実施の形態では液体を水道水として電気分解による水素と酸素の発生で説明したが、水道水中の電解質の種類により発生する気体も様々な組み合わせが考えられ、さらに溶媒も水道水に限定されるものではなく電気分解により気体が生じる物質であれば同様の効果が期待できる。

さらに、本実施の形態では液体から気体を発生させるのに電気分解反応を用いたが、液体から気体を生じさせる化学反応であれば、電気分解反応に限定されるものではなく他の化学反応であっても同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
実施の形態１と同一の部分については同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図３に示すように液体流路６内の気泡発生部１８の下流側には気泡微細化手段として多孔質体１９が配置されている。

ここで、気泡発生部１８で形成された気泡が多孔質部１９を通過する時、多孔質の微細孔により粗大な気泡が細かく分割されるとともに、液体流路６断面に対して均一に分散され再結合することなく液体流路６中に放出される。これにより、液体流路６を進む気液混相流は微細かつ均一な気泡が一様に分布した状態で液体噴出孔４から噴出される。一方コンプレッサー（図示せず）によって空気流入口１０から圧送された高圧空気は空気流路９を進み、空気噴出孔３から高圧空気となって噴出される。空気噴出孔３と液体噴出孔４は同軸二重円管となっているため空気が気液混相流の周囲に同一進行方向に噴出され、空気の膨張と気液の速度差により液体が激しく粉砕され微細化される。このとき、気液混相流は内部の微細な気泡により高圧気体の衝撃による破砕が進行しやすく液体の微細化が促進される。また、気泡は微細かつ均一であり、コンプレッサーで圧入した粗大かつ不均一な大きさの気泡と比較して気泡の不均一な分布による不連続な破砕が生じなくなり、安定かつ均一に液体を微細化できる。

尚、本実施の形態においては、気泡微細化手段として多孔質体１９を用いて説明したが、気液混相流中の気泡を微細化できるものであれば、その構造は様々な物が考えられ多孔質構造の物体に限定されるものではない。また、気泡を微細化する方法についても本実施の形態のように液体流路６に物体を配置する方法だけでなく、例えば液体流路６内に液体を攪拌する攪拌子を設置して液体を攪拌して気泡を分割、微細化する方法においても同様の効果が得られる。

尚、これまで説明した実施の形態１、２および３の二流体ノズルは液体を中心として噴射する同軸二重管の二流体ノズルで説明したが、本発明は二流体ノズルの構造に影響されるものではなく、気体と液体を逆に配置した場合や、同軸二重管ではなく気体噴射部と液体噴射部がそれぞれ独立した構造のノズル、あるいはノズル内部で気体と液体を衝突させる内部混合方式タイプなど、二流体方式のノズルであればいずれも同様の効果が期待できる。

本発明にかかる二流体ノズルは、安定かつ均一に液体を微細化できる効果を有し、加湿、空気清浄、塗装、燃焼、洗浄等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の二流体ノズルの構成を示す縦断側面図参考の形態１の二流体ノズルの構成を示す縦断側面図本発明の実施の形態２の二流体ノズルの構成を示す縦断側面図従来の二流体ノズルの構成を示す縦断側面図同コア本体を示す正面図同側面図

符号の説明

３空気噴射孔
４液体噴射孔
６液体流路
１２超音波振動子
１３電極
１４陽極
１５陰極
１７直流電圧電源
１８気泡発生手段
１９多孔質体

Claims

気体噴射部と液体噴射部と液体流路及び前記液体噴射部の上流の前記液体流路において気泡を発生させる気泡発生手段を備え、前記気体噴射部を空気噴射孔とし、前記空気噴射孔は高圧空気を噴出し、前記液体噴射部を液体噴射孔とし、前記液体噴射孔は前記気泡発生手段により発生した気泡を含んだ気液混相流を噴出し、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔の先端縁同士を前記液体噴射孔からの液体噴出方向で同一位置にし、前記液体噴射孔と前記空気噴射孔を同心二重円管状に配置し、前記空気噴射孔の孔径を前記液体噴射孔の外径より大きくし、高圧空気を前記液体噴射孔から噴出する気液混相流の周囲に同一進行方向に前記空気噴射孔から噴出させ、前記気泡発生手段を超音波振動子とし、前記液体流路の内面に前記超音波振動子を配置したことを特徴とする二流体ノズル。
超音波振動子の代わりにヒーターを配置したことを特徴とする請求項１記載の二流体ノズル。
気泡発生手段の下流の液体流路において気泡を微細化する気泡微細化手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の二流体ノズル。
気泡微細化手段として多孔質体を備えることを特徴とする請求項３記載の二流体ノズル。